太赫兹波段金属光子晶体缺陷态滤波器的初步研究

太赫兹光子晶体的制备没有实质性的困难，因此，太赫兹光源的出现，为光子晶体的研究提供了极大的便利，也为其应用提供了广阔的舞台。本项目以基于严格的电磁场理论的计算机数值模拟结合理论分析为主要工具，辅以必要的实验验证，结合典型的太赫兹材料物性参数的特点和太赫兹研究、应用的特殊要求，研究1、光子晶体的结构、缺陷的形状与入射场分布等因素对工作在太赫兹波段的光子晶体的缺陷态的特性的影响；2、在太赫兹波段各种典型金属光子晶体微腔型窄带滤波器由于金属较强的吸收特性导致的对最大Q值的限制和相应的透过率等特性；3、在太赫兹波段实现高Q大透过率金属光子晶体微腔式窄带滤波器的可能性；4、利用缺陷附近很高的共振场强实现各种非线性效应，如混频、倍频、开关等的可能性。本项目的研究将丰富人们对光子晶体缺陷态的了解，有助于太赫兹技术，尤其是太赫兹通讯、太赫兹信号处理方面的发展。

1、我们研究了不同入射场对结果的影响。重点调查了点缺陷光子晶体微腔的透过特性与入射场的光束宽度w的关系，我们发现：当w比较小时，透过系数T与w无关，当w继续增大时，T振荡变化，w继续增大后将达到饱和，此后，传输功率基本上与w无关，或者说T与w基本上成反比。大致上，w的饱和值可以看作是点缺陷的共振吸收截面。w的饱和值明显大于点缺陷在入射光方向的横截面，在我们调查的几种结构中，点缺陷的形状是确定w的饱和值的一个关键因素。我们发现，正方晶格单点缺陷的饱和值和三点缺陷的几乎一样，虽然两者在入射光方向的横截面相差很大。光通讯波段的光子晶体绝大多数使用光波导将光导入微腔，波导的宽度远小于w饱和值，但是在太赫兹波段和微波波段，光子晶体器件可能工作在开放空间，如天线。我们的工作可供这类应用参考，也有助于增加对光子晶体缺陷态特性的理解，填补了一个小空白。.2、我们发现，对正方晶格金属光子晶体，TM模正入射的透过谱的第一个通带是由特殊的物理机理引起的。因此透过率表现出反常行为，例如，有n-1个符合洛伦茨线型的共振峰（n是沿正入射方向排列的金属柱层数）；对金属柱位置的变动比较敏感。我们计算了场分布并提出了一个简单的模型并据此找到了其主要的物理机理，定性地给出了第一通带的位置、成功地解释了这些反常行为。我们认为：在这个频率范围内，单层金属柱的透过率足够小以至于可以近似看作是一层反射膜，两层金属柱近似于两层反射膜组成的法布里-布罗腔，n层沿正入射方向排列的金属柱可以看作n-1个弱耦合的法布里-布罗腔，于是原来法布里-布罗腔的一个共振峰被分裂为n-1个，就像n个简并能级的微扰结果一样。因为本质上是共振穿透，所以透过率对金属的电导率和金属柱位置的无规变动比较敏感。作为比较，普通光子晶体的第一通带和第一禁带，对介质柱位置的随机变化相当钝感。在太赫兹波段，当金属柱是半径0.15mm的铜丝时，共振峰的品质因子，Q=100~200。相应地，也观察到明显的慢光效应，光脉冲传播速度小于真空中的1/200。作为对比，在第二通带，因较大折射率而导致的慢光效应中，光脉冲传播速度约为真空中的1/10。.3、我们也调查了金属光子晶体的损耗与金属的电导率的关系，已经有些新结果，将在结题后继续进行。 由于意外因素的影响，项目估计在半年到一年后才能完成原定计划。